close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY2898

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
(19)
BY (11) 2898
(13)
C1
6
(51) F 02B 75/32,
(12)
F 02B 75/22,
F 01B 9/02,
F 16F 15/24
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПАТЕНТНЫЙ
КОМИТЕТ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ
(54)
ПОРШНЕВАЯ МАШИНА (EE ВАРИАНТЫ)
(21) Номер заявки: 1185
(22) 1994.02.25
(46) 1999.06.30
(71) Заявитель: Стародетко Е.А. (BY)
(72) Авторы: Стародетко Е.А., Стародетко Г.Е.,
Стародетко К.Е. (BY), Симон Симанд (CA),
Дедунович Г.А. (BY)
(73) Патентообладатель: Стародетко
Евгений
Александрович (BY)
(57)
1. Поршневая машина, содержащая установленные в корпусе вертикальные цилиндры, поршни, количество которых кратно двум, и механизм для преобразования возвратно-поступательного движения, включающий четыре симметрично расположенных коленчатых вала с зубчатыми колесами и пары шатунов, посредством которых поршни соединены с двумя коленчатыми валами, зубчатые колеса которых находятся в
зацеплении, отличающаяся тем, что она снабжена горизонтальными цилиндрами, поршни которых через
пары шатунов соединены с двумя коленчатыми валами, зубчатые колеса которых находятся в зацеплении.
2. Машина по п. 1, отличающаяся тем, что поршни снабжены штоками, с которыми соединены шатуны.
3. Машина по одному из пп.1-2, отличающаяся тем, что она выполнена с возможностью организации
двухстороннего рабочего процесса.
Фиг. 1
4. Поршневая машина, содержащая установленные в корпусе цилиндры, поршни, количество которых
кратно двум, и механизм для преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное, содер1
BY 2898 C1
жащий шатуны и коленчатые валы, снабженные коренными и шатунными шейками, а также находящиеся во
внешнем зацеплении одинаковые цилиндрические зубчатые колеса, количество которых равно двум, при
этом оси колес размещены в первой плоскости, а поршневая машина выполнена симметрично относительно
второй плоскости, перпендикулярной первой и размещенной параллельно осям зубчатых колес посередине
между ними, отличающаяся тем, что механизм машины, включающий поршни, шатуны и коленчатые валы
в пределах шатунных шеек выполнен симметричным относительно центра, размещенного на линии пересечения первой и второй плоскости посередине между осями цилиндров.
(56)
1. Орлин А.С. и др. Двигатели внутреннего сгорания. Устройство и работа поршневых и комбинированных двигателей. - М.: Машиностроение, 1990. - С. 273-277.
2. Альферович В.В. и др. Преобразующие механизмы поршневых машин. - Мн.: ИПНДМаш АН БССР,
1985. - С. 28-33.
3. Крайнев А.Ф. Словарь-справочник по механизмам. - М.: Машиностроение, 1981. -С. 102.
4. А. с. СССР 1693272, МПК F 02B 75/32, 1991.
5. Заявка WO 83/03125, МПК F 16F 15/24, 1983 (прототип).
6. Кожевников С.Н. Механизмы. - М.: Машиностроение, 1976. - С. 78-81 (прототип).
Изобретение относится к механизмам энергопреобразующих установок, в которых возвратнопоступательное движение поршней в цилиндрах преобразуют во вращательное движение вала (валов), например, механизмам двигателей внутреннего сгорания (ДВС), поршневых компрессоров и касается проблемы уравновешивания действующих в поршневой машине сил. Уравновешивание поршневой машины, например ДВС, осуществляют одним из следующих способов [1]:
конструктивной схемой двигателя, т.е. таким расположением цилиндров и кривошипов на коленчатом
валу, чтобы силы инерции и их моменты взаимно уравновешивались при соблюдении условия равномерности чередования одноименных процессов в цилиндрах;
введением дополнительных движущихся масс (противовесов), силы инерции (моменты) которых в любой
момент времени равны и направлены противоположно уравновешиваемым силам (моментам).
Действительная уравновешенность двигателя может существенно отличаться от теоретической. Для приближения действительной уравновешенности к теоретической в производстве двигателей предусматривают
ряд конструктивно-технологических мер: коленчатый вал делают как можно более жестким; возвратнопоступательно движущиеся детали при сборке подбирают комплектно с наименьшей разницей масс комплектов в разных цилиндрах одного двигателя; устанавливают минимальные допустимые отклонения на
размеры деталей кривошипно-шатунного механизма (КШМ); вращательно движущиеся детали тщательно
балансируют, а коленчатые валы и маховики подвергают динамической балансировке.
Классическим примером такого технического решения является вертолетный двигатель АШ-82В [2]. В
этом звездообразном двухрядном четырнадцатицилиндровом двигателе для его уравновешивания коленчатый вал выполнен с двумя противовесами и установленными на них гасителями крутильных колебаний маятникового типа. Для уравновешивания сил инерции 2-го порядка и их моментов по длине коренных шеек
смонтированы балансиры. Однако, стоимость изготовления такого двигателя очень высока, а технология и
требования к точности изготовления практически недоступны для гражданских предприятий.
Основным недостатком КШМ является наличие боковых нагрузок, прижимающих поршень к стенкам
цилиндра и вызывающих его неравномерный износ и значительные потери механической энергии на преодоление сил трения. Стремление исключить эти силы или уменьшить их влияние привели к созданию
крейцкопфного механизма. В последнем боковые нагрузки передаются на ползун, работающий в более благоприятных условиях, чем в КШМ. Такое же решение используется в механизме С.С. Баландина, который
принципиально отличается от КШМ наличием коленчатого вала, совершающего эпициклическое движение,
что позволяет резко уменьшить габариты двигателя [3].
Однако, и это решение имеет существенный недостаток, заключающийся в плохой компонуемости двигателя, а также в неблагоприятном сочетании силовых и скоростных факторов на ползунах, что не позволяет
достичь нужной частоты вращения.
Известны также зубчато-рычажные механизмы для преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное, в которых отсутствуют боковые усилия на поршне, например, т.н. «римская передача»
[4], представляющая собой семизвенный механизм с поршнем, приводимый через суммирующий рычаг и
шатуны от двух зацепляющихся между собой колес. На основе этого механизма создано множество технических решений по поршневым двигателям внутреннего сгорания, в которых поршневая группа полностью
разгружена от боковых сил, например, «Поршневой ДВС» по [5].
2
BY 2898 C1
Однако, эти технические решения также имеют существенные недостатки, заключающиеся в высокой
стоимости изготовления из-за большого количества деталей, неблагоприятного сочетания силовых и скоростных факторов в элементах механизма.
Кроме проблемы боковых нагрузок на поршень, для ДВС важнейшей является проблема уравновешивания механизмов. Задача уравновешивания заключается в том, чтобы силы инерции замыкались внутри остова двигателя и не передавались на опоры. Задача уравновешивания достаточно хорошо решается в оппозитных ДВС за счет симметричного встречного движения поршней, но при этом момент инерционных сил от
шатунов не будет сбалансирован, см., например, механизм приведенный в [6].
Однако идеально уравновешенные механизмы с поступательным движением штоков поршней не известны, а известный механизм имеет неуравновешенность инерционных масс передаточных звеньев, плохо компонуется в двигателе, обладает увеличенными габаритами, что явилось причиной поиска новых проектных
решений для главного механизма ДВС.
Из известных технических решений наиболее близким объектом к заявляемому по совокупности существенных признаков является «Безвибрационный поршневой механизм» по заявке PCT/JP 83/00061, опубликованной 15.09.83 WO 83/03125, принятый авторами за прототип.
Принятый за прототип объект представляет собой поршневую машину, содержащую установленные в
корпусе вертикальные цилиндры, поршни, количество которых кратно двум, и механизм для преобразования
возвратно-поступательного движения, включающий четыре симметрично расположенных коленчатых вала с
зубчатыми колесами и пары шатунов, посредством которых поршни соединены с двумя коленчатыми валами, зубчатые колеса которых находятся в зацеплении.
Принятая за прототип машина позволяет получить приемлемую уравновешенность действующих в
поршневом ДВС с оппозитными поршнями сил.
Однако, прототип имеет существенный недостаток, заключающийся в недоступности фирменной технологии, обеспечивающей его техническую характеристику. Кроме того, технологические возможности известного технического решения недостаточны, что не позволяет создать поршневые машины с большим, чем
две пары поршней, размещенных в одной плоскости, а также снизить механические потери и получить возможность использовать цилиндры с поршнями двухстороннего действия.
Для второго варианта заявляемой поршневой машины наиболее близким по количеству существенных
признаков техническим решением является «Уравновешенный поршневой двигатель», схема которого приведена в [6], принятый авторами за прототип второго варианта поршневой машины.
Известная из этого источника поршневая машина, содержит установленные в корпусе цилиндры, поршни, количество которых кратно двум, и механизм для преобразования возвратно-поступательного движения
во вращательное, содержащий шатуны и коленчатые валы, снабженные коренными и шатунными шейками, а
также находящиеся во внешнем зацеплении одинаковые цилиндрические зубчатые колеса, количество, которых равно двум, при этом оси колес размещены в первой плоскости, а поршневая машина выполнена симметричной относительно второй плоскости, перпендикулярной первой и размещенной параллельно осям
зубчатых колес посередине между ними.
Это техническое решение обеспечивает сравнительно хорошую эффективность преобразования подводимой к ней энергии и позволяет получить приемлемую уравновешенность действующих сил (см. двигатель
фирмы Филипс в [2]).
Однако, принятая за прототип второго варианта машина имеет существенный недостаток, заключающийся в высокой стоимости изготовления и недостаточную уравновешенность, что повышает механические потер и снижает надежность работы.
Задачей предлагаемого изобретения является создание поршневой машины с идеальной статической и
динамической уравновешенностью при доступной для промышленности Республики Беларусь технологии
изготовления и приемлемой стоимости, обеспечивающей конкурентоспособность на внутреннем и международном рынках.
В результате решения этой задачи достигнут новый технический результат, заключающийся в создании
главного механизма ДВС, который выполняет следующие требования к механизму:
отсутствие боковых нагрузок на поршень;
высокий механический КПД;
идеальная статистическая и динамическая уравновешенность;
отсутствие ползунов;
обеспечение прямолинейного возвратно-поступательного движения с помощью шарниров.
Кроме того, задачей изобретения является улучшение стоимостных и массогабаритных характеристик
поршневых машин (двигателей и компрессоров), создаваемых на основе заявляемого механизма.
Данный технический результат достигнут тем, что поршневая машина, содержащая установленные в
корпусе вертикальные цилиндры, поршни, количество которых кратно двум, и механизм для преобразования
возвратно-поступательного движения, включающий четыре симметрично расположенных коленчатых вала с
зубчатыми колесами и пары шатунов, посредством которых поршни соединены с двумя коленчатыми вала3
BY 2898 C1
ми, зубчатые колеса которых находятся в зацеплении, согласно изобретению, она снабжена горизонтальными цилиндрами, поршни которых через пары шатунов соединены с двумя коленчатыми валами, зубчатые
колеса которых находятся в зацеплении, при этом поршни снабжены штоками, с которыми соединены шатуны, кроме того, поршневая машина может быть выполнена с возможностью организации двухстороннего
рабочего процесса.
Для варианта исполнения, в случае только двух находящихся в зацеплении зубчатых колес, в поршневой
машине, содержащей установленные в корпусе цилиндры, поршни, количество которых кратно двум, и механизм для преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное, содержащий шатуны и
коленчатые валы, снабженные коренными и шатунными шейками, а также находящиеся во внешнем зацеплении одинаковые цилиндрические зубчатые колеса, количество которых равно двум, при этом оси колес
размещены в первой плоскости, а поршневая машина выполнена симметричной относительно второй плоскости, перпендикулярной первой и размещенной параллельно осям зубчатых колес посередине между ними,
согласно изобретению, механизм машины, включающий поршни, шатуны и коленчатые валы в пределах шатунных шеек выполнен симметричным относительно центра, размещенного на линии пересечения первой и
второй плоскости посередине между осями цилиндров.
Отличительной особенностью заявляемого изобретения является то, что она снабжена горизонтальными
цилиндрами, поршни которых через пары шатунов соединены с двумя коленчатыми валами, зубчатые колеса
которых находятся в зацеплении.
Это позволяет дополнительно симметрично выполнить и шатуны, т.е. каждое зубчатое колесо соединить с
двумя шатунами, и число шатунов при этом в два раза больше числа колес. При использовании симметричности шатунов появляется возможность снизить механические потери в узлах преобразующего механизма, т.к.
передаваемые через шатуны силы уравновешиваются в шарнирах. Кроме того, удвоенное количество шатунов
позволяет установить с теми же зубчатыми колесами удвоенное количество поршней. Например, в приведенной
на фиг. 5 описания прототипа машине может быть установлено 8 поршней при том же зубчатом механизме.
Задачу уравновешенности машины можно решить как используя штоки, так и путем непосредственного
соединения шатунов с поршнем. Однако, при снабжении поршня штоком, что является вторым отличительным признаком заявляемого изобретения, уменьшается нагрузка на поршневые кольца, это повышает надежность работы, и появляются дополнительно технологические возможности создать машину с цилиндрами двойного действия, что улучшает показатели машины по удельным характеристикам мощности.
При этом появляется возможность выполнить поршневую машину с двухсторонним рабочим процессом в
цилиндрах, что является третьим отличительным признаком изобретения. При двустороннем рабочем процессе повышаются показатели удельной мощности, увеличивается экономичность.
Поставленные требования при создании главного механизма ДВС удалось выполнить с помощью принципа
симметрии механизма. В случае, когда количество пар находящихся в зацеплении зубчатых колес равно двум,
отличительными признаками является то, что механизм машины, включающий поршни, шатуны и коленчатые
валы в пределах шатунных шеек выполнен симметричным относительно центра, размещенного на линии пересечения первой и второй плоскости посередине между осями цилиндров.
Именно симметрия и приводит к получению возможности за счет встречного движения оппозитных
поршней обеспечить равенство нулю геометрической суммы перемещений всех поршней за любой промежуток времени, что является необходимым и достаточным условием для достижения идеального уравновешивания.
Основу симметрии создают два зубчатых колеса равных диаметров, находящихся во внешнем зацеплении. В модели механизма (расчетная схема которого представлена на фиг. 2) плоскость, проходящая через
центры колес L и R, является плоскостью симметрии.
Осью симметрии является перпендикуляр к линии центров, проходящий через точку касания делительных окружностей колес. Две точки, симметричные относительно оси, могут быть базовыми точками механизма, обеспечивающего прямолинейное движение исполнительного звена. Таким образом получен симметричный кривошипно-шатунный механизм (СКШМ).
В случае одной пары находящихся в зацеплении зубчатых колес, для обеспечения движения шатунов они
должны быть разнесены вдоль оси коленчатых валов, что приводит к появлению неуравновешиваемого крутящего момента, действующего в плоскости оси коленчатого вала. Геометрическая сумма перемещений всех
поршней за любой промежуток времени при этом равна нулю, но не исключается инерционный момент, действующий на опоры.
Таким образом, приведенные отличительные особенности заявляемого изобретения в сравнении с прототипом позволяют получить поршневые машины с идеальной или близкой к идеальной статической и динамической уравновешенностью при доступной для промышленности Республики Беларусь технологии изготовления и приемлемой стоимости, обеспечивающей конкурентоспособность на внутреннем и
международном рынках.
На фиг. 1 представлен упрощенный чертеж двухцилиндрового двухтактного ДВС, разработанного по основному варианту заявляемого изобретения, с двумя парами зубчатых колес и с двумя цилиндрами. Римски-
4
BY 2898 C1
ми цифрами 1 обозначены первые плоскости, которые проходят через оси находящихся в зацеплении зубчатых колес, цифрами 11 - плоскости симметрии, О - ось симметрии.
На фиг. 2 изображена расчетная схема симметричного кривошипно-шатунного механизма, при этом
сплошными утолщенными линиями показано положение пары шатунов, соединяющих шток одного из
поршней с двумя кривошипами коленчатых валов, зубчатые колеса которых находятся в зацеплении, а пунктирными линиями - положение шатунов другого, размещенного симметрично первому поршню при соединении второго поршня с теми же коленчатыми валами.
На фиг. 3 изображен чертеж заявляемого полностью уравновешенного механизма из четырех симметрично расположенных коленчатых валов при соединении каждого штока с коленчатыми валами парой шатунов,
один из которых соединен с первым, а другой со вторым валом, зубчатые колеса которых находятся в зацеплении. При этом вертикальные поршни изображены в верхней мертвой точке, а горизонтальные - в нижней.
На фиг. 4 изображена схема механизма машины, принятой за прототип.
На фиг. 5 представлена фотография действующего образца двигателя внутреннего сгорания, созданного в
соответствии с заявляемым изобретением.
На фиг. 6 изображен упрощенный чертеж двухцилиндрового ДВС, разработанного по варианту заявляемого изобретения, с одной парой зубчатых колес и с двумя цилиндрами. Обозначения на фиг. 6 сохранены
такие же как и на фиг. 1, дополнительно обозначена О1 - линия пересечения первой и второй плоскостей, Ц центр симметрии.
Поршневая машина содержит установленные в корпусе 1 цилиндры 2, поршни 3 и коленчатые валы 4,
снабженные находящимися во внешнем зацеплении зубчатыми колесами 5, шатунными 6 (для первого варианта она представляет собой цапфу, установленную на зубчатом колесе) и коренными 7 (для первого варианта этой позицией обозначен опорный подшипник вала) шейками. При этом количество цилиндров, поршней,
зубчатых колес кратно двум. Каждый поршень снабжен штоком 8, соединенным с шатунными шейками 6
коленчатых валов парой шатунов 9, один из которых соединен с первым зубчатым колесом (коленчатым валом), а другой со вторым. Зубчатые колеса находятся в зацеплении с образованием замкнутого потока мощности, размещены в виде осесимметричной конфигурации. Механизм машины (поршни 3, штоки 8, шатуны
9, зубчатые колеса 5 в сборе) выполнен симметричным относительно оси конфигурации, по которой размещены зубчатые колеса.
В случае одной пары зубчатых колес (см. фиг. 6) механизм симметричен относительно центра Ц, размещенного на линии О1 пересечения первой и второй плоскости посередине между осями цилиндров. При этом
механизм машины (поршни 3, штоки 8, шатуны 9, коленчатые валы 4 и зубчатые колеса 5 в сборе) выполнен
симметричным относительно плоскости 11-11, перпендикулярной к плоскости 1-1, в которой размещены оси
находящихся в зацеплении зубчатых колес, и проходящей через точку касания делительных окружностей
этих колес.
Из симметрии механизма относительно оси следует, что при любом положении любого из поршней ему
будет в точности соответствовать положение другого симметричного поршня, т.е. за любой промежуток
времени геометрическая сумма перемещений этих поршней будет равна нулю.
Для подачи воздушно-топливной смеси цилиндры оборудованы патрубками 10, а также каналами продувки 11 и патрубком 12 для выхлопа отработанных газов. Корпус оборудован опорами 13.
Заявляемая поршневая машина работает следующим образом.
На фиг. 1 поршень 3 изображены в верхней мертвой точке (ВМТ). Работу машины рассмотрим на его
примере. При движении вниз (к оси симметрии) обратный клапан на линии подачи топливно-воздушной
смеси (на фиг. 1 не показано) закрывается и в подпоршневой полости происходит сжатие газа. После открытия верхней кромкой поршня 3 отверстий выхлопного патрубка 12 надпоршневая полость соединяется с атмосферой, следом открываются отверстия каналов 11 и происходит продувка надпоршневой полости и заполнение ее свежим зарядом топливо воздушной смеси - сжатым в подпоршневой полости газом. При этом
поршень 3 проходит нижнюю мертвую точку (НМТ), движется вверх и закрывает отверстия каналов 11 и
патрубка 12. В подпоршневой полости начинает создаваться разрежение, а в надпоршневой полости происходит сжатие заряда топливо-воздушной смеси.
После открытия нижней кромкой поршня 3 отверстий патрубка 10 под действием созданного в подпоршневой полости разрежения обратный клапан на линии подачи открывается, и подпоршневая полость заполняется свежим зарядом топливо-воздушной смеси. При адиабатическом сжатии газа в надпоршневой полости температура его повышается и происходит самовоспламенение топливо-воздушной смеси. В это время
поршень 3 проходит ВМТ и движется вниз, передавая энергию горячих продуктов сгорания через механизм
двигателя. Затем цикл, описанный выше, повторяется.
Энергия движимого горячими газами поршня 3 передается через шток 6 на пару шатунов 9, которые,
воздействуя на шатунные шейки 6, вращают зубчатые колеса 5, выполняющие функцию кривошипа, и с ними вместе вращаются коленчатые валы 4, установленные на коренных шейках 7. Зубчатые колеса 5 установлены на валах 4 консольно со стороны шатунов 9 и валы 4 не препятствуют движению шатунов (шатунные 6
и коренные 7 шейки коленчатого вала 4 размещены по разные стороны зубчатого колеса 5).
5
BY 2898 C1
Благодаря симметричности пары шатунов 9 отсутствуют также боковые силы на поршне 3 и штоке 8, что
повышает надежность работы двигателя.
На фиг. 2 изображена расчетная схема СКШМ. Исходными данными для расчета механизма является ход
поршня S и углы наклона β1 и β21 кривошипа в мертвых точках, где оси шатунов проходят через центры
вращения кривошипов L и R.
Радиус кривошипа r зависит от хода поршня S и углов β1 и β2. При этом S играет роль масштабного множителя, а углы β1 и β2 определяют соотношения между размерами звеньев. Предварительный анализ показывает, что β1≤70°, β2≤25°. При S=100мм, β1=70°, β2=25° получаем механизм со следующими значениями
параметров:
k2=tgβ2=0,466;
k1=tgβ1=2,747;
xL=120,44;
yL=56,16;
ρOL=132,89;
ρDL=59,77;
r=36,56;
ρOC=96,33;
1=96,33;
λ=r/1=0,380;
ε=yL/1=0,583.
Осуществимость СКШМ зависит от минимального расстояния между центрами шатунных шеек. Чем
меньше это расстояние, тем компактнее механизм. При недостаточности расстояния следует увеличить угол
β1. При этом r уменьшится, а расстояние между центрами вырастет.
Геометрические соотношения в СКШМ соответствуют соотношениям:
y=rsinϕ+уL.
х=rcosϕ+xL,
где xL - абцисса шатунной шейки; уL - ее ордината; ϕ - угол поворота кривошипа; х и у - координаты оси
коленчатого вала.
Координату х поршня можно определить как:
X D = r cos ϕ + X L − 12 − ( r sin ϕ + Y L ) 2
После ряда известных преобразований получим уравнение движения:
XD=rcosϕ-1cosβ+XL,
где β=arcsin(λsinϕ+ε).
Скорость поршня получим как:
•
X =v=-rw(sinϕ-cosϕtgβ).
Ускорение поршня - как:
••
§
·
cos ϕ 2
X = W = − rW 2 ¨ − cos ϕ + λ
− sin ϕtgβ¸ .
3
cos ϕ
©
¹
Пусковая характеристика двигателя, его способность работать при низких оборотах, обеспечивая достаточно равномерное вращение выходного вала, зависит от вида графика крутящего момента как функции от угла
поворота кривошипа. В идеальном случае этот момент должен быть постоянным при любом угле. Однако в силу изменчивости движущей силы и плеча крутящего момента требование постоянства момента невыполнимо.
Можно лишь поставить задачу, чтобы минимум момента имел знак максимума и был достаточным для преодоления статического сопротивления движению. Выполнение данного условия создает предпосылки для создания
двигателя, способного работать при весьма низких оборотах и, возможно, без муфты сцепления.
Крутящий момент на выходном валу CKШM является суммой двух моментов: МL и MR. Момент МL является результатом воздействия на кривошип усилия в шатуне. Если кривошип выполняет роль выходного
вала, то МL передается на трансмиссию машины, а момент MR - Сначала на зубчатую передачу, а с нее - на
выходной вал и далее на трансмиссию.
Если не учитывать потерь на трение в шарнирах, то можно определить крутящий момент как:
M
êð
= 2Ì
L
= 2Ph = N
Y L + ( r cos ϕ − 1 cos β) tgβ
cos β 1 + tg2 β
= NH
На фиг. 2 изображена расчетная схема симметричного кривошипно-шатунного механизма, при этом
сплошными утолщенными линиями показано положение пары шатунов, соединяющих шток одного из
поршней с двумя кривошипами коленчатых валов, зубчатые колеса которых находятся в зацеплении, а пунктирными линиями - положение шатунов другого, размещенного симметрично первому поршня при соединении второго поршня с теми же коленчатыми валами. Из условий симметрии геометрии и масс механизма
следует, что перемещения, скорости, ускорения и инерционные силы, приведенные к точкам О и О1, будут
симметричны относительно упомянутой выше оси, а механизм в целом будет идеально уравновешенным.
На фиг. 6 схематично изображен двигатель с двумя поршнями и соответствующей парой шатунов, размещенного симметрично первому поршню при соединении второго поршня с теми же коленчатыми валами.
6
BY 2898 C1
При этом для обеспечения движения шатунов они должны быть разнесены вдоль оси коленчатых валов, что
приводит к появлению неуравновешиваемого крутящего момента, действующего в плоскости оси коленчатого вала. Геометрическая сумма перемещений всех поршней за любой промежуток времени при этом равна
нулю, но не исключается инерционный момент, действующий на опоры 13.
Как показывает анализ динамики СКШМ, из отдельных модулей (включающих поршень, шток, пару шатунов и пару коленчатых валов с находящимися в зацеплении зубчатыми колесами) можно собрать механизм, обеспечивающий замыкание инерционных сил внутри остова двигателя в любой момент времени. С
помощью одного модуля можно добиться уравновешивания инерционных сил в отдельных (критических)
точках, например, в НМТ и (или) ВМТ.
График ускорения поршня при движении от НМТ к ВМТ не совпадает с графиком ускорения при движении от ВМТ к НМТ. Это обстоятельство, по-видимому, не позволяет создать уравновешенный модуль из
двух коленчатых валов, синхронизированных двумя зубчатыми колесами. Однако вполне возможно выполнение требования, чтобы неуравновешенный инерционный момент был минимальным. Такой механизм называется квазиуравновешенным.
Полностью уравновешенный механизм можно получить из четырех симметрично расположенных коленчатых валов, как показано на фиг. 3.
При этом векторы перемещений всех поршней сходятся на оси симметрии и в силу их попарного равенства геометрическая сумма перемещений всех поршней за любой момент времени равна нулю, т.е. сумма
векторов и моментов векторов перемещений поршней и центров масс шатунов за любой промежуток времени равна нулю.
Изготовления и испытания опытных образцов заявляемого двигателя (см фиг. 5) подтвердили правильность заложенных в конструкцию технических решений, уравновешенность двигателя и его повышенную
надежность. Полученный механический к.п.д. заявляемого двигателя на 25 % выше, чем механический к.п.д.
лучших из известных образцов поршневых машин.
Таким образом заявляемая установка обеспечивает выполнение следующих требований к механизму:
отсутствие боковых нагрузок на поршень;
возможность организации двустороннего рабочего процесса;
высокий механический КПД;
отсутствие мертвой точки;
идеальная статическая и динамическая уравновешенность;
возможность приведения вспомогательных механизмов в действие без цепных и ременных передач;
широкая скоростная характеристика, позволяющая использовать импульсное управление мощностью без
дросселирования рабочей смеси;
отсутствие ползунов;
отсутствие противовесов;
обеспечение прямолинейного возвратно-поступательного движения с помощью шарниров;
а также улучшение стоимостных и массогабаритных характеристик поршневых машин (двигателей и
компрессоров), создаваемых на основе заявляемого механизма, обеспечивающее конкурентоспособность на
внутреннем и международном рынках в сравнении с известными специализированными установками, в том
числе и с установкой, принятой за прототип.
Фиг. 2
Фиг. 3
7
BY 2898 C1
Фиг. 4
Фиг. 5
Фиг. 6
Государственный патентный комитет Республики Беларусь.
220072, г. Минск, проспект Ф. Скорины, 66.
8
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
241 Кб
Теги
by2898, патент
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа